第8章反应设备 §8-1 概述 一、反应设备的应用及基本要求 1

第8章 反应设备§8-1 概述一、反应设备的应用及基本要求 1、反应设备应满足化学反应过程的要求物料的性质（粘度、密度、腐蚀性等）； 相态；反应条件（温度、压力等）；反应过程的特点（气相的生成、固相的沉积等）；2、反应设备应满足传质、传热和流体动力过程的要求 二、反应设备设计的几个问题（1） 反应物的混合 （2） 适宜温度的维持 （3） 停留时间的控制三、反应设备的分类 （1） 化学反应器分类（2） 生物反应器分类按结构特征：机械搅拌式、气升式、流化床、固定床等⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧固相反应器—液—气固相反应器—液固相反应器—气液相反应器—液液相反应器—气非均相反应器固相反应器液相反应器气相反应器均相反应器、按物料相态分1⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧其它形式流化床反应器固定床反应器管式反应器搅拌反应器、按设备结构形式分2四、常见反应器的特点(1) 机械搅拌式反应器(2) 管式反应器管式反应器可用于连续生产，也可用于间隙操作，反应物不返混，也可在高温、高压下操作。

(3) 固定床反应器气体流经固定不动的催化剂床层进行催化反应的装置称为固定床反应器。

它主要用于气固相催化反应，具有结构简单、操作稳定、便于控制、易实现大型化和连续化生产等优点，是现代化工和生物反应中应用很广泛的反应器固定床反应器有三种基本形式：轴向绝热式、径向绝热式和列管式。

(4) 流化床反应器流体（气体或液体）以较高的流速通过床层，带动床内的固体颗粒运动，使之悬浮在流动的主体流中进行反应，并具有类似流体流动的一些特性的装置称为流化床反应器。

§8-2 机械搅拌反应器一、搅拌反应器的基本结构 （一）搅拌反应器的总体结构1、釜体部分（1） 釜体部分由圆筒和上、下封头组成，提供物料化学反应的空间，其容积由生产能力和产品的化学反应要求决定。

（2） 中、低压筒体通常采用不锈钢板卷焊，也可采用碳钢或铸钢制造，为防止物料腐蚀，可在碳钢或铸钢内表面衬耐蚀材料。

（3） 釜体壳能同时承受内部介质压力和夹套压力，必须分别按内、外压单独作用时的情况考虑，分别计算其强度和稳定性。

（4） 对于承受较大外压的薄壁筒体，在筒体外表面影设置加强圈。

2、传热装置为及时送入化学放应所需热量或传出化学放应放出的热量，在釜体外部或内部可设置传热装置，使温度控制在需要的范围之内。

常用的传热装置是在釜体外部设置夹套或在釜体内部设置蛇管。

3、搅拌装置由搅拌轴和搅拌器组成，可是物料混合均匀、良好接触，加速化学反应的进行。

搅拌过程中，物料的湍动程度增大，反应物分子之间、反应物分子与容器器壁之间的接触不断更新，既强化了传质和传热，又有利于化学反应的进行。

4、轴封装置为维持设备内的压力或阻止釜内介质泄漏，在搅拌轴伸出封抖出必须进行密封（动密封）。

轴封装置通常有填料密封和机械密封两种。

5、其它结构如人孔、手孔、各种接管、温度计、压力表、视镜、 安全泄放装置等。

（二）搅拌反应器的类型⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧旁入式搅拌反应器）卧式容器搅拌反应器底搅拌反应器倾斜式搅拌反应器偏心式搅拌反应器器立式容器中心搅拌反应按结构形式分（三）搅拌反应器的机械设计内容1、 釜体的结构形式及及和尺寸的确定包括釜体结构、釜体尺寸（直径、高度）、封头形式的选择等。

2、 材料的选择根据工作温度、压力、物料的性质、设备加工要求等条件选择。

3、 强度计算及校核如釜体壁厚的计算、封头壁厚的计算、搅拌轴直径的确定等。

4、 主要零部件的选用搅拌轴、传动装置、轴封装置等的选择。

5、 绘图、编制技术文件装配图、各种零部件图、设计计算书、设计说明书、技术要求等。

二、搅拌容器 （一）搅拌容器1、作用：为物料反应提供合适的空间。

2、装料系数如果物料在反应过程中产生泡沫或呈沸腾状态，取0.6~0.7； 如果物料在反应中比较平稳，可取0.8~0.85。

3、操作容积和罐体容积工艺设计给定的容积，对直立式搅拌容器通常是指筒体和下封头两部分容积之和； 对卧式搅拌容器则指筒体和左右两封头容积之和。

V 0=η1V罐体的直径和高度4、高径比（表9-3）（1）罐体长径比对搅拌功率的影响)(44)(4122310v V D D vV H V D H D i i ii -=-==ηππηπ（2）罐体长径比对传热的影响（3）物料反应对长径比的要求5、罐体壁厚的确定（二）换热元件1、夹套结构（1）整体夹套常用的整体夹套形式有圆筒型和U型两种。

（2）型钢夹套（3）半圆管夹套（4）蜂窝夹套（二）内盘管优点：浸没在物料中，热量损失小，传热效果好。

缺点：检修较困难三、搅拌器作用：（1）使两种或两种以上的物料混合均匀，良好接触。

（2）强化釜内物料的传质与传热效果，改善操作情况。

（3）使反应物料分子频繁碰撞，不断更新接触，促进化学反应的进行。

（4）防止悬浮物料的沉降，防止粘稠物料的“挂壁”。

（一）搅拌器的功能和流型功能：提供工艺过程需要的能量和适宜的流动状态1、通过自身的旋转把机械能传递给流体，形成桨叶附近高湍流充分混合区。

2、推动流体沿一定的路径在釜内循环流动，形成不同的“流型”（1）轴向流——液体轴向流入，轴向流出特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角小于90°如：折叶桨、推进式搅拌器（2）径向流——液体轴向流入，径向流出特点：搅拌器叶片与旋转平面夹角等于90°如：平桨搅拌器（3）切向流——物料粘度较低而搅拌器旋转速度较高时，液体会围绕搅拌轴作旋转运动，流体之间没有相对运动，起不到混合作用，反之，物料还会由于离心力的作用发生分离，影响搅拌反应器的正常操作。

发生旋转运动的区域称为“圆柱状回转区”为消除圆柱状回转区，通常在釜内设置挡板。

（二）挡板与导流筒——通常指在搅拌釜内为改善流体流动状态而设置的零件，如挡板、导流筒等。

圆柱状回转区→漩涡→叶轮吸入空气→物料发生分离→搅拌轴振动加剧1、挡板两种型式：纵向挡板；横向挡板常用的是纵向挡板，物辽粘度较高时使用横向挡板。

挡板的作用：（1）将切向流转变为轴向流或径向流（2）增加流体湍动程度，改善搅拌效果。

挡板的宽度：W=(1/10~1/12)D i全挡板化条件：（W/D i）1.2z=0.35挡板对流型的影响挡板的安装方式2、导流筒常用于推进式或涡轮式搅拌器推进式搅拌器的导流筒推进式搅拌器和导流筒的几何尺寸（三）搅拌器的型式搅拌器的型式很多，其结构与被搅拌液体的性质和要求实现的流型有关，应根据工艺要求选用。

1、桨式搅拌器2、推进式搅拌器3、涡轮式搅拌器4、框式和锚式搅拌器5、螺杆式和螺带式搅拌器（四）搅拌器的尺寸和搅拌器的选用1、搅拌器的尺寸主要指搅拌器的直径（桨径）、桨叶宽度、桨叶数目，它们将影响搅拌功率和搅拌效果，其大小和搅拌器的类型和釜体直径有关。

* （d j/D i）的大小影响搅拌效果推进式及涡轮式搅拌器（d j/D i）较小，其原因在于：推进式搅拌器轴向流量大，体积循环能力强；涡轮式搅拌器多用于搅拌低粘度液体。

* （b/d j）的大小影响搅拌功率对于低粘度液体，桨叶宽度较小时，消耗功率的大小与桨叶宽度成正比，但当b增至一定值后，功率将不再增大。

对于高粘度液体，消耗功率的大小与桨叶宽度b成正比。

* n的确定主要是从结构上考虑2、搅拌器的选用*介质的性质（1）液体的粘度随着液体粘度增高，各种搅拌器使用的顺序是：桨叶式、推进式、涡轮式、框式和锚式、螺杆（带）式（2）液体的密度（3）液体的腐蚀性*反应过程的特性间歇操作还是连续操作；吸热反应还是放热反应；是否结晶或有固体沉淀物产生等。

搅拌器型式选择（表8-9、8-10）（五）搅拌器的功率——指搅拌所需功率，即液体混合所需能量。

搅拌器的功率和搅拌器的位置、尺寸、转速，液体的性质及挡板、导流筒有关，可采用因次分析的方法得到搅拌功率关联式，然后用实验方法得到不同流动范围的准数关联式，从而计算搅拌器的搅拌功率。

搅拌功率关联式影响搅拌功率的主要参数：①搅拌器的运动参数（转速n ）②被搅拌液体的物理参数（密度ρ、粘度μ） ③反应器及搅拌器的几何尺寸 ④重力的影响功率关联式：⎪⎭⎫ ⎝⎛==,...,,)((Re)53D h D B D d f Fr K d n P N q p p ρ 功率表达式：N=f （n ，d j ，ρ，μ，g ） =Kn a d j b ρc μd g eRushton 算图（图8-27）四、搅拌轴设计 （一）结构设计1、轴颈、轴头、轴身的设计2、搅拌轴材料的选用 ① 足够的强度、刚度和韧性 ② 优良的切削加工性能 ③ 耐腐蚀要求 ④ 加工直线度的要求 （二）轴的计算设计搅拌轴时，应考虑四个因素： ①扭转变形； ②临界转速；③扭转和转矩联合作用下的强度； ④轴封处允许的径向位移。

1、按扭转变形计算搅拌轴的轴径搅拌轴的外形特点是细而长，搅拌器连在轴的一端，轴工作时承受扭转和弯曲联合作用，以xeyKR Fr NP ==φ扭转为主。

轴扭矩的刚度条件：[]γαγ≤⨯-=544max 10)1(5836Gd M n 式中 d —搅拌轴直径，mmG —轴材料剪切弹性模量，MPa ； M nmax —轴传递的最大扭矩，1max 9553η⋅=nP M nn ，N.m ； n —搅拌轴转速，r/min ； P n —电机功率，kW ；α—空心轴内径和外径的比值； η1—传动装置效率；[γ]—许用扭转角，对于悬臂梁[γ]=0.35o /m ，对于单跨梁[γ]=0.7o /m 。

得搅拌轴的直径：[]414max )1(4.155⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=αγG M d n 2、按临界转速校核搅拌轴的直径通常把工作转速n 低于第一临界转速的轴称为刚性轴，要求n ≤0.7n c 把工作转速n 高于第一临界转速的轴称为柔性轴，要求n ≥1.3n c 搅拌轴的的转速在200r/min 以上时，应进行临界转速的验算。

具有m 个搅拌器的实心轴一阶临界转速n c ：()Sc W a L L EIn +=121330π式中 α—悬臂轴两支点间距离，mm ； E —轴材料的弹性模量，MPa ；I —轴的惯性矩，m 4；L 1—第1个搅拌器悬臂长度，mm ； n c —临界转速，r/min ；W s —在s 点所有相当质量的总和，kg 。

3、按强度计算搅拌轴的直径 搅拌轴的强度条件： []ττ≤=pW te M max式中 M —弯矩， A R M M M +=；M A —由轴向力引起的轴的弯矩， N.m ； M n —扭矩，N.m ；M R —水平推力引起的轴的弯矩，N.m 。

te M —轴上扭转和弯矩联合作用时的当量扭矩，22M M M n te +=N.m ；p W —抗扭截面模量，对空心圆轴()43116απ-=d W p m 3； [τ]—轴材料的许用剪应力，[]16nστ=，MPa ；τmax —截面上最大剪应力，MPa ；n σ —轴材料的抗拉强度，MPa 。